Photovoltaïque : quelques informations techniques

Le capteur photovoltaïque (abréviation : capteur PV) exploite exclusivement l’énergie contenue dans la lumière transmise par le soleil (il ne tire aucun parti de la chaleur solaire).
Les capteurs photovoltaïques communément utilisés sur les toitures de particuliers ou industrielles sont constitués de cellules à semi-conducteurs, soit monocristallins, soit polycristallins (ce sont les plus courants mais il en existe d’autres types).

Rappel quelques notions

Qu’est-ce que le Watt-crête ? C’est l’unité qui rend compte de la puissance électrique d’un capteur PV soumis en laboratoire à des conditions standard d’exposition constante à une source lumineuse délivrant elle-même une énergie de 1’000 Watt sur  1 m²

le Watt est une unité de puissance (voir Wikipedia si besoin). Le Watt-« crête » pourrait être synonyme de puissance maximum théorique, en conditions de laboratoire.

Qu’est-ce qu’un kiloWatt-heure  (abréviation kWh, kW h ou kW.h) ? C’est  l’unité usuelle de calcul de l’énergie électrique (utilisée dans les factures de consommation électrique : EDF, Enercoop, etc.). C’est le produit d’une puissance (kiloWatt) par une durée (pendant 1 heure).

  • 1 kiloWatt-heure, c’est l’énergie produite (ou consommée) par un appareil qui consomme (ou qui produit) 1’000 Watt pendant 1 heure
    Exemple : avec 1 kWh, on peut regarder la TV entre 3 et 5 h.
  • 1 mégaWatt-heure = 1’000 kiloWatt-heure
    Exemple : une famille française consomme en moyenne 3’000 kWh ou 3 MWh par an
    en électricité, hors utilisation pour chauffage et production d’eau chaude sanitaire
  • 1 gigaWatt-heure = 1’000 mégaWatt-heure = 1’000’000 kWh
    Exemple : la production du plus grand parc photovoltaïque d’Europe en 2016 (2,6 km²) en service près de Bordeaux est de 350 GWh (soient 350’000 MWh ou 350’000’000 kWh)

Relation surface – puissance-crête – production électrique

Il faut de 5 à 8 m² de capteurs PV environ pour délivrer en moyenne une puissance de 1 kWc (= 1’000 Watt-crête, c’est-à-dire 1’000 Watt au maximum, en laboratoire), et produire une énergie électrique de 1’100 kWh par an environ, compte tenu de l’absence de production la nuit, de la variabilité de l’éclairement saisonnier, et de toutes les perturbations météorologiques, un peu plus au Sud de la  France, un peu moins au Nord.

Cela revient au même que de dire que 1 m² délivre une puissance électrique moyenne de 125 à 200 Wc (Watt-Crête) suivant sa technologie et ses performances (1’000 Wc / 5 m² à 1’000 Wc / 8 m²)

Valeurs approximatives et moyennes à retenir, suivant la technologie :
1 kWc nécessitent de 5 à 8 m² de surface de capteurs, disons 7 m² pour l’ordre de grandeur
3 kWc                                                                                                 20
10 kWc                                                                                              70
36 kWc                                                                                           250
100 kWc                                                                                        700

On peut remarquer que si un capteur extrait seulement 160 Watt d’énergie électrique (par exemple) pour 1’000 Watt d’énergie lumineuse fournie,  il n’y a que 16 % d’énergie lumineuse convertie en énergie électrique. Ce pourcentage représente le rendement d’un capteur PV.

Rendement énergétique des capteurs photovoltaïques actuels (Wikipedia, 2015) :

  • Silicium monocristallin : de 16 à 24 % (de 160 à 240 Wc/m² environ )
  • Silicium polycristallin : de 14 à 18 % (de 140 à 180 Wc/m² environ )

La technologie des capteurs PV au silicium monocristallin obtient de meilleures performances de production que le silicium polycristallin, mais elle est plus chère également. Il existe d’autres technologies mais celles-ci sont les plus couramment utilisées.

Recyclabilité des capteurs PV

Il existe des idées reçues, qui s’entretiennent d’elles-mêmes, un peu comme ce mécanisme qui fait exister les rumeurs. L’une d’entre elles consiste à croire que l’aménagement de capteurs photo-voltaïques manque de vertu en raison du caractère polluant de ce matériel.
Et bien non, ce matériel n’a pas a rougir de ce genre de défauts.
Les capteurs photo-voltaïques sont en général constitués d’un châssis et d’éléments de structure en aluminium, qui ont certes consommé beaucoup d’énergie à la fabrication, mais qui sont presque à 100% recyclables (l’alu. a une valeur encore très élevée même en déchetterie).
Le verre est comme on le sait hautement recyclable.
La sous-couche est constituée d’une feuille plastique EVA (éthylène-acétate de vinyle), classé dans les « bons » plastiques, sans chlore et recyclable comme les bouteilles plastiques.
Enfin, le cœur du capteur est en général constitué de silicium semi-conducteur. Celui-ci est recyclable à 96 %, selon un petit article publié dans la revue La maison écologique d’avril-mai 2016. C’est l’association PV Cycle, gestionnaire du programme mondial de recyclage des technologies photovoltaïques qui l’annonce, largement en avance sur les directives DEEE (déchets d’équipements électriques et électroniques) qui fixe les objectifs à 80 % de recyclage pour 2018.

Autre article publié dans Actu-Environnement, qui fait état d’une nouvelle usine dédiée au recyclage des capteurs photovoltaïques inaugurée par Veolia en juillet 2018.

La question ne s’est encore pas trop posée jusqu’à présent : en effet, les premiers capteurs PV installés en France arrivent seulement maintenant en fin de vie et n’ont de ce fait pas eu à trouver une filière de recyclage.

Durée de vie et bilan énergétique des capteurs photovoltaïques

Selon un article de l’ADEME de janvier 2016, les capteurs photovoltaïques produisent en 3 ans d’exploitation (selon la technologie et la région) autant d’énergie qu’il en a fallu pour les fabriquer.
Selon un autre article de 2017 (Fabrication, recyclage… quel est le véritable impact écologique des panneaux solaires ?) les capteurs PV actuels « remboursent » leur dette énergétique en seulement un an et demi en France.
Le restant de l’existence des capteurs (20 ans minimum mais en général plutôt du côté de 30 ans) est « tout bénéfice » pour l’énergie ainsi produite.

Liens utiles

  • Geoportail : site de cartographie et de géolocalisation français, extrêmement précis et utile pour voir et étudier le territoire depuis le ciel (ressemble à Google maps en plus précis, avec des outils spécifiques)
  • photovoltaique-energie.fr : Site d’information et de présentation de l’énergie photovoltaïque. Portail de plusieurs logiciels de simulation technique et économique de production photovoltaique, dont PVgis et CALSOL
  • PVgis : logiciel de simulation gratuit  mis en place par la commission Européenne. Permet en particulier de calculer par géolocalisation Google Maps la production d’un  champ de capteurs photovoltaïques en un lieu donné
  • PVsyst : logiciel de pré-dimensionnement et de conception technique de projet photovoltaïque. (Uni. Genève, E.P.F.L.) Version Démo. ou évaluation 1 mois gratuites, ou payante
  • Heliorama : calculateur d’ensoleillement et visualisation du masque solaire lointain sur simple géolocalisation Google Maps. Version gratuite et payantes
  • Fichier de simulation économique proposé sur le site Centrales Villageoises (lien sur fichier Excel téléchargeable, au bas de la page). Permet, à partir des donnés de production énergétique d’ébaucher une étude économique du projet afin d’évaluer sa viabilité
  • Petit glossaire de  l’énergie, proposé par Chloro’Fill, de certains termes ou notions utilisées dans le domaine de l’Energie.