25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Transcript of 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
André Mermoud
Groupe Energie - ISE / Forel
20 septembre 2012
25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
et… que peut-on attendre du PV ?
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Sommaire Première partie:
Historique
• recherches en Energie Solaire à l'UniGE
• développement de PVsyst
Seconde partie:
Que peut-on attendre du PV pour notre avenir énergétique ?
• Evolution de l'industrie du PV
• Mise en œuvre à Genève, en Suisse, en Allemagne, …
• Instruments et limitations
• Une chance de développement pour les pays du Sud
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Première partie
Débuts de l'énergie solaire à UniGE
Oct.1977 : Olivier Guisan crée le GAP (Groupe de Physique Appliquée)
pour amorcer la Recherche sur l'Energie Solaire à UniGE
petite équipe de 5 personnes
Axes de recherche:
Etude de la ressource solaire (rayonnement)
Etude des transformateurs (systèmes)
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Ressource: étude du rayonnement
• 4 années de mesures d'ensoleillement à Genève (1978-1982)
Thèse de Pierre Ineichen
• Etude des modèles de rayonnement:
Modèle de ciel clair, de transposition, de diffus, etc.
• Collaborations internationales
Acteurs: Pierre Ineichen, Jean-Michel Gremaud, Anne-Marie Felkel …
(plus tard: Augustin Razafindraibe, Benoît Molineaux)
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Transformateurs: capteurs solaires
Etude systèmes avec capteurs haute température (tubes sous vide) pour chaleur industrielle (1978-1988)
• Installations SOLARCAD - SOLARIN - SOLARIN II
• Collaboration internationale dans le cadre de l'AIE
• Mesures détaillées de systèmes
• caractérisation des capteurs et systèmes, modèle et programme G3
Acteurs: André Mermoud, Olivier Kaelin, Olivier Rudaz, Bernard Lachal
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Systèmes Photovoltaïques
• 1989: premiers systèmes couplés au réseau à Genève: Sous-Moulin (3kWc),
SIG (7.5 kWc),
TPG (2.4 kWc) (couplé sur ligne 600V= des trams)
• Mesures détaillées Diplôme et thèse de Patrick Schaub (1993)
• Divers diplômes sur caractérisation / modélisation des modules PV
On a les éléments essentiels pour écrire un outil général de simulation:
Connaissance de l'irradiance
Modélisation de capteurs et systèmes
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Développement PVsyst
1992: Analyse des programmes PV existants
1993: Version 1: Début du développement de PVsyst pour systèmes couplés au réseau (financement OFEN) Développement de l'outil 3D d'ombrages
1995: Version 2: Systèmes autonomes modèle de batteries, version anglaise
1997: Une étude anglaise (ETSU) reconnaît PVsyst comme un des meilleurs programmes du marché (avec PV*Sol)
1999: Version 3: En collaboration avec l'EPFL: réécriture sous DELPHI, renouvellement de l'interface-utilisateur
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Evolution de PVsyst
2004: Nécessité de modéliser les capteurs en couches minces Projet de recherche (financement SIG-NER)
2006: Version 4 - Etude du pompage solaire Projet de recherche, modélisation des pompes (fin. REPIC)
2009: Version 5 - Multilangue, multi-champs, adaptation à la technologie des grandes centrales
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Modélisation de Capteurs PV Principe du projet :
Mesure de courbes I/V au soleil (toutes les 10 min)
Etablissement du modèle (sur une seule courbe I/V)
Comparaison Modèle-Mesure pour chaque mesure
Etudes pour toutes les technologies
Pmax Model vs Pmax measured
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Pmax measured [W]
Pm
ax
mo
de
l [W
]
0 < Tmod < 80°C Model Error on Pmax
-6% -4% -2% 0% 2% 4% 6%
Si-mono: Siemens M55, 1 year
Si-mono: Atlantis M55, 2.6 years
Si-poly: Kyocera, 5 years
CIS: Shell ST40, 6 years
CdTe: First Solar FS267, 1.5 year
Si-a:H single: Flexcell, 1 year
Si-a:H tandem: EPV-40, 2.5 years
a-Si:H tripple: Unisolar SHR17, 1 year
idem, 6 years
a-Si:H tripple: Unisolar US32, 2.3 years
Microcryst: Sharp NAF121-G5, 7 months
Shell ST40 - CIS Seasonal effect
-5.0%
-4.0%
-3.0%
-2.0%
-1.0%
0.0%
1.0%
2.0%
3.0%
4.0%
5.0%
sept
04
déc 0
4
mars
05
juin
05
sept
05
déc 0
5
mars
06
juin
06
sept
06
déc 0
6
mars
07
juin
07
sept
07
déc 0
7
mars
08
juin
08
sept
08
déc 0
8
mars
09
juin
09
sept
09
déc 0
9
mars
10
juin
10
Pm
pp
(M
eas -
Mo
del)
err
or
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Etude de systèmes de pompage
Etablir un modèle de pompe solaire (tous types de pompes, tous fabricants)
Simulation du système complet (régulation, caract. hydrauliques, soleil, etc)
Current vs Voltage
0
2
4
6
8
0 10 20 30 40 50 60 70Pump Voltage
Cu
rren
t
Head 41 m
Head 32 m
Head 22 m
Head 12 m
Flowrate vs Power
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 100 200 300 400 500 600Input power [W]
Flo
wra
te [
]l/m
in]
Head = 12 m
Head = 22 m
Head = 32 m
Reference points
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Description du logiciel - Bases de données • Base de données climatiques (natif: Météonorm et NASA)
Importation de nombreuses bases de données publiques (et payantes)
• Base de données de composants PV
9'000 modules PV
2'400 onduleurs
Batteries, régulateurs, pompes, etc
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Dimensionnement du système
Outil visuel donnant toutes les conditions de dimensionnement
• Selon puissance désirée ou pour surface disponible
• Nombre de modules en série, selon caractéristiques de l'onduleur
• Dimensionnement optimal de l'onduleur selon le système
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Ombrages
Calcul détaillé des ombrages:
Ombrages lointains:
Ligne d'horizon, course du soleil
Ombrages proches:
Outil CAO de construction 3D
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Résultats
Rapport complet comprenant:
Paramètres de la simulation (y.c. horizon et scènes d'ombrages 3D si définis)
Résultats principaux (productible, PR, tableau mensuel, pertes détaillées)
Evaluation économique
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Rayonnement du logiciel
Utilisé par: bureaux d'ingénieurs, financeurs, nombreuses universités, …
Contact avec les utilisateurs: "hot line": nombreux échanges sur méthodes et modélisation,
Formations: permet d'identifier besoins et faiblesses du programme
Fabricants : modélisation des composants
Contacts avec organismes ou entreprises pour caractérisation PV Sandia National Laboratory
Entreprises de certification
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
2009: Boom du PV en France et en Espagne
2010: Montée en puissance USA et Italie
2011: diversification, l’Asie s’équipe en installations PV
Nouvelles licences PVsyst 2009 france
spain
USA
germany
italy
united kingdom
canada
switzerland
greece
india
taiwan
belgium
US islands
portugal
australia
korea
Nouvelles licences PVsyst 2010 france
spain
USA
germany
italy
united kingdom
canada
switzerland
greece
india
taiwan
belgium
US islands
australia
israel
korea
thailand
Nouvelles licences PVsyst 2011 france
spain
USA
germany
italy
united kingdom
canada
switzerland
greece
india
singapore
belgium
australia
china
israel
korea
malaysia
729 nouvelles entreprises, 1800 utilisateurs
1036 nouvelles entreprises 2850 utilisateurs
713 nouvelles entreprises 2300 utilisateurs
Distribution internationale
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Continuation de PVsyst
2011: Création de la société PVsyst SA pour continuer le développement et la distribution
2012: Développement d'une nouvelle Version 6 pour cet automne
Organisation de formations (demandes internationales)
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Autres études récentes sur le PV à UniGE
• Faisabilité d'un restaurant solaire autonome à Val Bedretto (TI)
• Potentiel PV des toitures de l'Etat de Genève (dispo 80 MW)
• Utilisation des GIS pour évaluation du potentiel PV en milieu urbain
• Potentiel sur la région Franco-Valdo-Genevoise (Thèse de Jérôme Faessler 2012)
• Plusieurs travaux de Master dans le cadre de l'ISE
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
2ème partie
Que peut-on attendre du Photovoltaïque pour notre avenir énergétique ?
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Le PV: une industrie en expansion rapide Production mondiale de cellules PV [GWc]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1993
1995
1997
1999
2001
2003
2005
2007
2009
2011
Pro
du
cti
on
[G
Wc
]
Depuis 2000: augmentation
moyenne de +56 %/an
+ 57 %
+124 %
+ 34%
Production 2011: 37.2 GWc
Production cumulée: 98 GWc
Installations dans le monde:
Connectés en 2011: 29 GWc (74% Europe)
Installés fin 2011: 69 GWc
Production par régions (2011)
51%
27%
11%
8% 3%
Chine +56%
Reste Asie +30%
Japon + 12%
Europe - 9.1%
USA + 3.1%
Evolution
2011/2010
2012: plus de 20 GW de modules sur le marché les prix ont chuté de 30 à 40%
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Prix
Dumping des fabricants chinois:
Prix moyen des modules cristallins:
Jan 2011 1.44 €/Wc
Jan 2012 0.82 €/Wc (-43%)
=> Nombreux fabricants en difficultés en Europe
Prix de systèmes ( > 100 kWc)
Jan 2009 4.2 €/Wc
Jan 2011 2.7 €/Wc
Jan 2012 2.1 €/Wc (-23%)
Prix moyen des modules PV
0
2
4
6
8
10
19
76
19
78
19
80
19
82
19
84
19
86
19
88
19
90
19
92
19
94
19
96
19
98
20
00
20
02
20
04
20
06
20
08
20
10
20
12
Pri
x m
oy
en
, C
urr
$ / W
p Prix moyen tous modules
Modules de puissance
marchés spot
Prix moyens
First Solar fin 2009 (CdTe) 0.98 $/Wp
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
L'apport du PV à Genève
Consommation électrique du canton: 3.000 GWh 750 W/hab dont usages domestiques: 31 % 232 W/hab
Production Photovoltaïque 2011: 8.6 GWh 2.2 W/hab Installations PV actuelles (2011) 11.4 MWc 25 Wc/hab 0.2 m²/hab
Si on veut passer à 20% de la consommation électrique globale:
Production Photovoltaïque : 600 GWh 150 W/hab il faut installer 620 MWc 1400 Wc/hab (5 Millions m² capteurs, 1.8% surface du canton) 11 m² /hab (Suisse: 52 m² de bâtiments/hab)
0.3 %
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Progression du PV à Genève 1990: première centrale 3 kWc
2012: 21'500 kWc installés
représente une augmentation de 37 %/an
Politique volontariste : Subventions + Tarif de rachat (Bourse Solaire)
Si on continue à +30%/an:
620'000 kWc installés en 2027
Installations PV à Genève: cumul
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040
Pu
issan
ce i
nsta
llée [
MW
c]
1990 - 2012, Exp. +37%/an
2013 => … Exp. + 30%/an
Installations réelles
Objectifs => 2017
Objectif SIG:
48 GWc en 2017
Installations PV à Genève: augment. 25%/an
0
100
200
300
400
500
600
700
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040
Pu
iss
an
ce
in
sta
llé
e [
MW
c]
2026: 620 MWc - 20% de l'électricité
Si on tient l'exponentielle
à 25%/an,
ceci suppose qu'en 2026,
on construirait 180 MWc !
Install. PV à Genève: progression plus réaliste
0
100
200
300
400
500
600
700
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040
Pu
issan
ce in
sta
llée [
MW
c]
2044: 620 MWc - 20% de l'électricité actuelle
depuis 2012:
progression ralentie
de 10% /an
=> install. 40 MWc
par an en 2036
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Instruments d'incitation
L'installation solaire est à fort contenu en capital:
on achète d'un coup 30 ans d'énergie !
Historiquement: Subventions à l'installation
Actuel: Tarifs de rachat (FIT) Nécessité d'une stabilité long terme contrats de 20 ans
Doit correspondre à un amortissement raisonnable révisions permanentes
Facilitation de prêts (les banques sont frileuses)
Qui paie ?
Autres: Certificats verts (Belgique) Tarif minimal garanti par l'état
A terme: Parité réseau (Net-metering) On ne paie pas l'électricité non consommée (=> prix de consommation garanti)
On est rétribué sur l'énergie en surplus au prix du réseau (ou moins?)
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
L'apport du PV en Suisse
Installés fin 2011: 211 MWc 28 Wc/hab
Production PV 186 GWh /consomm. élec. 0.3 %
Objectif 20% de la consommation: installation de 14'000 MWc (0.28% de la surface Suisse)
avec +30%/an: atteint en 2033 +20%/an: 2044 +10%/an: 2076
Suisse: total installé [MWp]
0
50
100
150
200
250
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Grid connected
Off-grid
Suisse: Nouvelles installations [MWp]
0
20
40
60
80
100
120
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
20
09
20
10
20
11
Début Tarif de rachat
fédéral (taxe CO2)
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
L'apport du PV en Allemagne
Installés fin 2011: 25 GWc 302 Wc/hab
Production PV 222 kWh/hab /consomm. élec. 4 %
Si l’Allemagne continue avec +30%/an :
Objectif 20% d’électricité PV
168 GW installés, atteint en 2018
Germany: Total installed [MWp]
0
5'000
10'000
15'000
20'000
25'000
19
92
19
94
19
96
19
98
20
00
20
02
20
04
20
06
20
08
20
10
Grid connected
Off-grid domestic+43%
+ 74%
+65%
Germany: Annual new installations [MWp]
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
19
92
19
94
19
96
19
98
20
00
20
02
20
04
20
06
20
08
20
10
+88%
+162%
Progression of
+51 %/year since 1990 !
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Situation en Europe fin 2011 Puissance installlée (par habitant)
Wc/hab
Allemagne 304
Italie 210
Rép. tchèque 186
Belgique 165
Espagne 91
Slovaquie 90
Luxembourg 60
Grèce 56
Slovénie 44
France 44
Suisse 28
Malte 27
Autriche 21
Bulgarie 18
Angleterre 16
Portugal 14
Europe 102
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Prod. et bilan 21 sept. 2005 [MW]
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Heure
Hydro, accumulation
Hydro, fil de l'eau
Nucléaire
Thermique
Consommation
Importation
Exportation
Réseau Suisse:
Profil de productions et consommations 2005
Limitations réseau: 20% de PV
Profil possible avec production PV pour un parc de 14 GWc et beau jour sur tout le pays: 4 GW de surproduction à stocker ou exporter (ou réguler) !
2040: Bilan avec 14 GWc de PV [MW]
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Heure
Production Solaire PV
Hydro, accumulation
Hydro, fil de l'eau
Consommation 2005
Importation ou
déstockage
Exportation
ou stockage:
4 GW
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Adaptation Production – Consomm. des ENR Instruments possibles:
Transport: Grande pénétration du réseau grandes distances
Ex. actuel: Echanges d'énergie éolienne nord de l'Europe énergie PV au sud Futur: Réseau Desertec entre l'Europe et l'Afrique, lignes THT 1 MV continu
Stockage: Pompage/turbinage: h 80% En Suisse, 3 projets: Hongrin 250 MW, Emosson 900MW et Linthal 1 GW (2017)
Chimique: Batteries, Ex: Pb-acide: stockage 1 MWh 35 tonnes !
Chimique distribué: Voitures électriques
Air comprimé Mines de sel
Volants d'inertie
Gestion de la demande: Smart grid, recherches très actives
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
A la fin de l'été, les bassins d'accumulation sont pleins ...
Stockage saisonnier
gesamte_erzeugung_verbrauch_06.pdf
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Distribution annuelle
Ensoleillement à Genève: Energie 1250 kWh/an (1400 W/m² plan 30°S) Dynamique été:hiver 4:1 (sur plan incliné)
Ensoleillement à Dakar: Energie 2200 kWh/an
Très constant au cours de l'année
favorable aux utilisations isolées
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
PV dans les PVD: un service Plus de 2 milliards d'hommes et de femmes vivent sans électricité
Services qui peuvent être couverts par la "petite" électricité:
Niveau familial
SHS (Solar Home System), Typ. 50Wc + batterie 100Ah
Eclairage, information (radio / téléphone / télévision /ordinateurs)
Réfrigération: frigo (plus cher, au moins 200 Wc)
Collectivités locales (écoles, dispensaires, administrations, culte) Eclairage, réfrigération (médicaments), sonorisation, Informatique, éclairage public, Centre de recharge de batteries
Collectifs de production agricole:
Pompage de l'eau, Moulins à grains, réfrigération (lait), petite mécanique, etc.
Installations en général organisées autour d'un parc de batteries au plomb . très gros problèmes de pollution (recyclage)
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Qualité et efficacité
L'éclairage PV efficient est compétitif avec les autres modes d'éclairages
Usage Puissance Durée Coût Coût de
lumineuse d'éclairage horaire l'énergie
lumen heures CHF/heure CHF/kWh
Batterie 75Ah + lampe fluo 400 112 h/recharge 0.050 6.3
Lampe BUTAGAZ 300 42 h/bouteille 0.065 11
Lampe à pétrole 45 33 h/litre 0.027 30
Lampe torche (2*R20) 7 18 h/ 2 piles 0.053 375
Grande bougie 1 8 h 0.017 825
Petite bougie 1 2.7 h 0.017 825
L'énergie PV décentralisée est chère utiliser des équipements extrêmement performants Le surcoût de la qualité est rapidement rentabilisé (lampes fluo, réfrigérateurs super-isolés : 0.3 kWh/jour contre 1.2 )
PV +
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Conditions de succès d'une projet PV rural
Installation PV intensive en capital (à l'opposé du mode de vie rural)
nécessité de financements extérieurs, surtout initial
Gouvernements, Collectivités, ONG, banque mondiale, …
Entreprises d'électricité peuvent être propriétaires et assurer l'entretien
Cadre juridique capable d'assurer la pérennité des institutions
Les populations doivent être impliquées dans le projet
Motivation par participation financière (même modeste)
Information des usagers
Participation à la gestion du projet (commune)
Systèmes commerciaux et/ou administratifs efficients
Formation, et suivi d'un service technique sur le terrain
Fabrication /réparation indigène de composants (lampes, batteries)
Environnement (recyclage notamment des batteries)
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Du bon usage du PV …
Batterie hors d'usage après 1-2 ans sans suivi technique ou financier...
André Mermoud - 25 ans de recherche PV à l'Université de Genève
Conclusions
• Le PV peut contribuer pour 20% à notre mix électrique (plus pour les pays du sud – synchronisation avec climatisation)
• Le développement de l'industrie du PV est actuellement instable, mais inéluctable
• La production photovoltaïque est sur le point de devenir compétitive avec les autres énergies
• Elle nécessite une transformation profonde de nos réseaux et de notre manière de consommer
• Le PV rural est un formidable enjeu pour le développement